趙伶俐
摘 要 針對信號與系統課程理論性強，實踐教學形式較為單一的現狀，應用新工科建設理念，對信號與系統實踐課進行教學改革，由驗證性實驗、建模仿真設計性實驗與電子設計製作三個環節結合進行實踐教學。該教學方法在北方民族大學相關專業中實施了三年，取得良好的教學效果，激發了學生的學習興趣，增強了學生解決問題能力和動手實踐能力。
關鍵詞 新工科;信號與系統;實踐教學;教學改革;MATLAB
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2019）18-0119-03
Research on Practice Teaching Reform of Signal and System Course under Background of New Engineering//ZHAO Lingli
Abstract In view of the current situation that the signal and system
course is highly theoretical and the practice teaching form is rela-
tively single， the teaching reform of the signal and system practice course is carried out by applying the concept of new subject construc-
tion. Practical teaching is carried out by combining three links： veri-fication experiment， modeling simulation design experiment and electronic design and manufacture. This teaching method has been implemented for three years in the relevant majors of our university， and has achieved good teaching results， stimulated students interest in learning， and enhanced students ability to solve problems and practice.
Key words new engineering; signal and system; practical teaching; teaching reform; MATLAB
1 前言
新工科建設是基於國家戰略發展新需求，國際競爭新形勢，由教育部提出的我國工程教育改革的新理念，發展人才培養的新模式。未來新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[1-2]。實踐教學是夯實理論基礎、培養工程素養的主要手段，所以在平時的實踐教學中要培養學生的動手實踐能力、創新能力、多學科融合學習能力。
信號與系統課程是大學本科電子信息類專業的一門專業必修課，對專業課程的學習起到承上啟下的作用。信號與系統是理論性很強的課程，在理論課學習中，系統時域分析、傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換等數學概念及公式繁多，容易使學生感到枯燥單一，缺乏學習積極性。因此，在信號與系統課程的教學中需要應用新工科建設的理念，強化學生的工程素養和解決實際問題的能力，把理論和實踐相結合，提高動手實踐能力和創新能力，培養高素質的新工科人才。
2 信號與系統課程實踐教學現狀
信號與系統課程實踐教學目前多為兩種形式。
一種是採用信號與系統實驗箱的實驗教學方式。它是利用實驗電路板、信號發生器、示波器等器件測試、觀察、分析信號的波形，如可以完成常用信號的產生和測試、信號的取樣與恢復等實驗。利用信號與系統實驗箱教學的優點是學生可以在電路板上搭建簡單實驗電路，測量輸入輸出信號，觀測實驗結果波形。但應用實驗箱進行實踐教學，只能完成部分驗證性實驗，實驗電路板等硬體器材覆蓋知識點有限，設計類實驗會受到限制，難以調動學生的學習興趣，並且隨著實驗次數的增加，電路板耗損嚴重，更新換代慢。
另一種形式是引入仿真實驗軟體。目前，國內外很多高校把MATLAB軟體和信號與系統課程結合起來，利用MATLAB強大的計算能力和信號處理工具箱完成時域、頻域、復頻域等各種變換及系統分析，達到良好的學習和實驗效果。但是應用MATLAB軟體仿真，學生的硬體設計及動手能力不夠。
鑒於信號與系統課程的特點以及所面臨的實踐教學現狀，北方民族大學信號與系統課程教研組對該課程特點和實踐教學方法進行探索研究，應用新工科建設的理念，對信號與系統課程的實踐教學進行改革，構建新的實驗和實踐教學方法。
3 實踐教學改革方法
新的信號與系統課程實踐教學方法，由原來單一的應用實驗箱做實驗或應用軟體實驗教學方式改為軟體仿真和電子設計製作相結合的實踐教學模式，實踐可分三個環節：1）實驗課前教師引導學生預習實驗內容，應用MATLAB軟體和學校自己開發的信號與系統實驗教學系統完成驗證性實驗;2）實驗課中進行建模仿真編程，完成設計性實驗;
3）實驗課後自主實踐環節進行電子設計製作。
驗證性實驗 自己開發信號與系統實驗教學軟體系統，此系統安裝在實驗室中，也可安裝在學生電腦中，學生可以在實驗課前應用此系統和MATLAB軟體預習實驗內容以及完成驗證性實驗。課前預習和完成驗證性實驗，可以讓學生對複雜的理論內容有感性的認識和理解。比如信號的合成實驗，以方波為例，圖1所示為實驗系統仿真了方波的組成情況，當它包含的諧波分量愈多時，波形越接近於原來的方波信號。通過圖1實驗系統還可以幫助學生理解吉布斯現象，即合成方波包含的諧波分量越多時，除間斷點附近外，它越接近於原方波信號。在間斷點附近，隨著所含諧波次數的增高，合成波形的尖峰越靠近間斷點，但尖峰幅度並未明顯減小[3]，在間斷點處有大約9%的偏差。
圖2是連續系統的復頻域分析實驗，讓學生理解復頻域系統函數H（S）意義。系統函數隻與系統的結構、元器件參數有關，與描述系統微分方程的係數有關，而與外界因素（激勵、初始狀態等）無關。在系統分析時，可以畫出零極點分布圖，判斷系統的穩定性;也可以畫出系統的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。在實驗系統中完成驗證性實驗，可以增強學生對理論的感性認識，提高實驗效率。
建模仿真設計性實驗 通過課前預習和完成驗證性實驗後，學生對理論知識和實驗內容有一些感性認識。然後在實驗課中讓學生應用MATLAB編寫程序，應用Simulink建模仿真，完成設計性實驗，提高編程建模仿真能力。如在理論課教學中講解連續系統的時域分析，求解零狀態響應、衝激響應以及階躍響應時，通過微分方程經典解求解響應問題，內容抽象且數學公式繁多，這是課程中的一個難點。而用建模仿真編程方法可以讓求解變得簡單。
如某系統為y″（t）+2y′（t）+100y（t）=10f（t），求系統的衝激響應、階躍響應並分析系統的穩定性。在實驗中讓學生應用Simulink對系統進行建模仿真，圖3所示為系統的模型。通過建模仿真，物理概念明確又便於理解，而且學生可以體會從建立數學模型、如何選擇參數再到系統仿真的設計全過程，這個過程鍛鍊了學生思考問題、分析問題、設計創新的能力[4]。
同一個問題可以用不同的方法去完成，求解系統的響應還可以在MATLAB中編程實現，圖4是通過編程仿真得到系統衝激響應的波形。在這個實踐環節中，通過建模仿真編程的方法完成設計性實驗，提高學生解決問題和設計創新的能力。
電子設計製作 對於工科學生，要培養他們的工程素養，能進行電子電路的設計與製作。在課後讓學生進行自主實踐環節，由教師給出電子設計任務，給出需要設計的電子製作的性能要求，讓學生設計繪製電路圖並進行電子製作。比如在理論課程中講到激勵通過系統求解響應的問題，課後可以讓學生設計一個電路系統，然後進行輸入信號和輸出信號的測試並進行分析。在設計中首先指導學生進行元器件的選擇，電氣元器件、分立元件、集成電路等元器件的選擇及參數測試，讓學生體會不同元器件選擇、不同的參數對電路產生的影響;其次讓學生設計電路，運用電路仿真軟體繪製電路圖，制板、焊接調試，測試數據並分析數據。從給出設計任務開始，查找資料、設計方案、元器件選擇、參數計算、電路圖繪製仿真調試、焊接調試，到電子作品製作完成並能夠很好地運行，學生會獲得成就感和自信心，激發學習興趣，發揮學習的主動性，真正提高學生的自主學習能力和動手實踐能力。
另外，鼓勵學生參加電子設計大賽。學校每年組織電子設計競賽，通過參加比賽，給學生鍛鍊和展示自己的平台，將所學理論知識運用到實踐中，提高創新實踐能力和團隊協作能力。
近幾年，學校在全國電子設計大賽中取得可喜的成績。通過電路設計和製作的實踐環節，可以使學生很好地理解如信號與系統、模擬電子技術、數字電路等相關課程所涉及的基本內容、基本概念、基本電路結構與原理、基本分析方法，提高多學科融合學習的能力。同時提高學生的動手能力和解決實際問題能力，使學生逐步建立起科學的、嚴謹的工程素養，樹立嚴格要求自己的學習態度。
4 結語
應用新工科建設的理念，對信號與系統的實踐教學進行改革，由原來單一的實驗課改為三個實踐環節：實驗課前引導學生預習並完成驗證性實驗;實驗課中進行建模仿真編程並完成設計性實驗;實驗課後進行電子設計製作。這種實踐教學改革方法已在北方民族大學電子信息工程專業中實施兩屆，取得良好的教學效果，不僅激發了學生的學習興趣，提高了學生的信號與系統理論課成績，而且增強了學生解決問題的能力和動手實踐的能力，培養了學生的工程素養。
參考文獻
[1]鍾登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.
[2]姜曉坤，朱泓，李志義.新工科人才培養新模式[J].高教發展與評估，2018（2）：17-24，103.
[3]吳大正.信號與線性系統分析[M].4版.北京：高等教育出版社，2005.
[4]郭燕.信號與系統課程在應用型本科院校的教學改革[J].高教學刊，2016（22）：136-137.
[5]張偉，王方，等.面向新工科創新人才實踐教育模式探索：以電子科學與技術專業為例[J].大學教育，2019（3）：
140-142.
摘 要 針對信號與系統課程理論性強，實踐教學形式較為單一的現狀，應用新工科建設理念，對信號與系統實踐課進行教學改革，由驗證性實驗、建模仿真設計性實驗與電子設計製作三個環節結合進行實踐教學。該教學方法在北方民族大學相關專業中實施了三年，取得良好的教學效果，激發了學生的學習興趣，增強了學生解決問題能力和動手實踐能力。
關鍵詞 新工科;信號與系統;實踐教學;教學改革;MATLAB
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2019）18-0119-03
Research on Practice Teaching Reform of Signal and System Course under Background of New Engineering//ZHAO Lingli
Abstract In view of the current situation that the signal and system
course is highly theoretical and the practice teaching form is rela-
tively single， the teaching reform of the signal and system practice course is carried out by applying the concept of new subject construc-
tion. Practical teaching is carried out by combining three links： veri-fication experiment， modeling simulation design experiment and electronic design and manufacture. This teaching method has been implemented for three years in the relevant majors of our university， and has achieved good teaching results， stimulated students interest in learning， and enhanced students ability to solve problems and practice.
Key words new engineering; signal and system; practical teaching; teaching reform; MATLAB
1 前言
新工科建設是基於國家戰略發展新需求，國際競爭新形勢，由教育部提出的我國工程教育改革的新理念，發展人才培養的新模式。未來新興產業和新經濟需要的是工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[1-2]。實踐教學是夯實理論基礎、培養工程素養的主要手段，所以在平時的實踐教學中要培養學生的動手實踐能力、創新能力、多學科融合學習能力。
信號與系統課程是大學本科電子信息類專業的一門專業必修課，對專業課程的學習起到承上啟下的作用。信號與系統是理論性很強的課程，在理論課學習中，系統時域分析、傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換等數學概念及公式繁多，容易使學生感到枯燥單一，缺乏學習積極性。因此，在信號與系統課程的教學中需要應用新工科建設的理念，強化學生的工程素養和解決實際問題的能力，把理論和實踐相結合，提高動手實踐能力和創新能力，培養高素質的新工科人才。
2 信號與系統課程實踐教學現狀
信號與系統課程實踐教學目前多為兩種形式。
一種是採用信號與系統實驗箱的實驗教學方式。它是利用實驗電路板、信號發生器、示波器等器件測試、觀察、分析信號的波形，如可以完成常用信號的產生和測試、信號的取樣與恢復等實驗。利用信號與系統實驗箱教學的優點是學生可以在電路板上搭建簡單實驗電路，測量輸入輸出信號，觀測實驗結果波形。但應用實驗箱進行實踐教學，只能完成部分驗證性實驗，實驗電路板等硬體器材覆蓋知識點有限，設計類實驗會受到限制，難以調動學生的學習興趣，並且隨著實驗次數的增加，電路板耗損嚴重，更新換代慢。
另一種形式是引入仿真實驗軟體。目前，國內外很多高校把MATLAB軟體和信號與系統課程結合起來，利用MATLAB強大的計算能力和信號處理工具箱完成時域、頻域、復頻域等各種變換及系統分析，達到良好的學習和實驗效果。但是應用MATLAB軟體仿真，學生的硬體設計及動手能力不夠。
鑒於信號與系統課程的特點以及所面臨的實踐教學現狀，北方民族大學信號與系統課程教研組對該課程特點和實踐教學方法進行探索研究，應用新工科建設的理念，對信號與系統課程的實踐教學進行改革，構建新的實驗和實踐教學方法。
3 實踐教學改革方法
新的信號與系統課程實踐教學方法，由原來單一的應用實驗箱做實驗或應用軟體實驗教學方式改為軟體仿真和電子設計製作相結合的實踐教學模式，實踐可分三個環節：1）實驗課前教師引導學生預習實驗內容，應用MATLAB軟體和學校自己開發的信號與系統實驗教學系統完成驗證性實驗;2）實驗課中進行建模仿真編程，完成設計性實驗;
3）實驗課後自主實踐環節進行電子設計製作。
驗證性實驗 自己開發信號與系統實驗教學軟體系統，此系統安裝在實驗室中，也可安裝在學生電腦中，學生可以在實驗課前應用此系統和MATLAB軟體預習實驗內容以及完成驗證性實驗。課前預習和完成驗證性實驗，可以讓學生對複雜的理論內容有感性的認識和理解。比如信號的合成實驗，以方波為例，圖1所示為實驗系統仿真了方波的組成情況，當它包含的諧波分量愈多時，波形越接近於原來的方波信號。通過圖1實驗系統還可以幫助學生理解吉布斯現象，即合成方波包含的諧波分量越多時，除間斷點附近外，它越接近於原方波信號。在間斷點附近，隨著所含諧波次數的增高，合成波形的尖峰越靠近間斷點，但尖峰幅度並未明顯減小[3]，在間斷點處有大約9%的偏差。
圖2是連續系統的復頻域分析實驗，讓學生理解復頻域系統函數H（S）意義。系統函數隻與系統的結構、元器件參數有關，與描述系統微分方程的係數有關，而與外界因素（激勵、初始狀態等）無關。在系統分析時，可以畫出零極點分布圖，判斷系統的穩定性;也可以畫出系統的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。在實驗系統中完成驗證性實驗，可以增強學生對理論的感性認識，提高實驗效率。
建模仿真設計性實驗 通過課前預習和完成驗證性實驗後，學生對理論知識和實驗內容有一些感性認識。然後在實驗課中讓學生應用MATLAB編寫程序，應用Simulink建模仿真，完成設計性實驗，提高編程建模仿真能力。如在理論課教學中講解連續系統的時域分析，求解零狀態響應、衝激響應以及階躍響應時，通過微分方程經典解求解響應問題，內容抽象且數學公式繁多，這是課程中的一個難點。而用建模仿真編程方法可以讓求解變得簡單。
如某系統為y″（t）+2y′（t）+100y（t）=10f（t），求系統的衝激響應、階躍響應並分析系統的穩定性。在實驗中讓學生應用Simulink對系統進行建模仿真，圖3所示為系統的模型。通過建模仿真，物理概念明確又便於理解，而且學生可以體會從建立數學模型、如何選擇參數再到系統仿真的設計全過程，這個過程鍛鍊了學生思考問題、分析問題、設計創新的能力[4]。
同一個問題可以用不同的方法去完成，求解系統的響應還可以在MATLAB中編程實現，圖4是通過編程仿真得到系統衝激響應的波形。在這個實踐環節中，通過建模仿真編程的方法完成設計性實驗，提高學生解決問題和設計創新的能力。
電子設計製作 對於工科學生，要培養他們的工程素養，能進行電子電路的設計與製作。在課後讓學生進行自主實踐環節，由教師給出電子設計任務，給出需要設計的電子製作的性能要求，讓學生設計繪製電路圖並進行電子製作。比如在理論課程中講到激勵通過系統求解響應的問題，課後可以讓學生設計一個電路系統，然後進行輸入信號和輸出信號的測試並進行分析。在設計中首先指導學生進行元器件的選擇，電氣元器件、分立元件、集成電路等元器件的選擇及參數測試，讓學生體會不同元器件選擇、不同的參數對電路產生的影響;其次讓學生設計電路，運用電路仿真軟體繪製電路圖，制板、焊接調試，測試數據並分析數據。從給出設計任務開始，查找資料、設計方案、元器件選擇、參數計算、電路圖繪製仿真調試、焊接調試，到電子作品製作完成並能夠很好地運行，學生會獲得成就感和自信心，激發學習興趣，發揮學習的主動性，真正提高學生的自主學習能力和動手實踐能力。
另外，鼓勵學生參加電子設計大賽。學校每年組織電子設計競賽，通過參加比賽，給學生鍛鍊和展示自己的平台，將所學理論知識運用到實踐中，提高創新實踐能力和團隊協作能力。
近幾年，學校在全國電子設計大賽中取得可喜的成績。通過電路設計和製作的實踐環節，可以使學生很好地理解如信號與系統、模擬電子技術、數字電路等相關課程所涉及的基本內容、基本概念、基本電路結構與原理、基本分析方法，提高多學科融合學習的能力。同時提高學生的動手能力和解決實際問題能力，使學生逐步建立起科學的、嚴謹的工程素養，樹立嚴格要求自己的學習態度。
4 結語
應用新工科建設的理念，對信號與系統的實踐教學進行改革，由原來單一的實驗課改為三個實踐環節：實驗課前引導學生預習並完成驗證性實驗;實驗課中進行建模仿真編程並完成設計性實驗;實驗課後進行電子設計製作。這種實踐教學改革方法已在北方民族大學電子信息工程專業中實施兩屆，取得良好的教學效果，不僅激發了學生的學習興趣，提高了學生的信號與系統理論課成績，而且增強了學生解決問題的能力和動手實踐的能力，培養了學生的工程素養。
參考文獻
[1]鍾登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.
[2]姜曉坤，朱泓，李志義.新工科人才培養新模式[J].高教發展與評估，2018（2）：17-24，103.
[3]吳大正.信號與線性系統分析[M].4版.北京：高等教育出版社，2005.
[4]郭燕.信號與系統課程在應用型本科院校的教學改革[J].高教學刊，2016（22）：136-137.
[5]張偉，王方，等.面向新工科創新人才實踐教育模式探索：以電子科學與技術專業為例[J].大學教育，2019（3）：
140-142.
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